大型放射光施設 SPring-8

公開日

2021年08月11日

2021年8月11日
理化学研究所
名古屋大学
大阪大学

※共同研究グループ

研究支援
　本研究は、理化学研究所基礎科学特別研究員制度、および日本学術振興会（JSPS） 科学研究費助成事業研究活動スタート支援「XFELナノメートル集光のための高精度X線波面計測技術の開発（研究代表者：山田純平）」による助成を受けて行われました。

背景
　「SPring-8」などの放射光施設では、非常に明るい放射光X線を利用して、高分解能で試料の構造や元素、組成を観察するX線顕微鏡の開発と活用が行われています。主要なX線顕微鏡の一つである「走査型X線顕微鏡」では、X線プローブと観察対象（試料）の相対的な位置関係を、高精度に走査（スキャン）する必要があります。これまで、X線を曲げることは難しいと考えられていたことから、X線ではなく試料をスキャンする装置が主に開発されてきました。
　しかし近年、X線微小集光技術の開発競争が進んだことで、利用可能なX線プローブのサイズ、すなわち空間分解能が1～10ナノメートル（nm、1nmは10億分の１メートル）レベルへと劇的に縮小されました。これに伴い、走査型X線顕微鏡のスキャン装置に一層の精度向上が求められていますが、1 nm（原子数個分に相当）に迫るスキャン精度の実現は難しく、また大型化・複雑化が避けられなくなるために試料環境が制限され、走査型X線顕微鏡の汎用性や実用性が損なわれることが問題となっていました。

研究手法と成果
　共同研究グループは、従来までのX線を曲げてスキャンすることが難しいという常識を打ち破り、X線プリズムと反射型X線レンズの組み合わせによる「X線ナノプローブスキャナー」を世界で初めて開発しました。この技術では、X線プリズムによりX線の進行方向を1,000分の1°レベルの超微小角度で偏向させ、その後、反射型X線レンズによりX線を50 nmまで細く集光し、試料に照射します（下図）。
　X線は直進性が高くなかなか曲がらないため、X線プリズムでも微小な角度しか曲げることができませんが、その反面、わずかな曲げ角を高精度に制御できます。この特性を生かすことで、これまで制御が難しかった1 nm精度のスキャンが実現可能となります。集光に用いる反射型X線レンズは、共同研究グループが長い年月をかけて研究開発してきたもので、全反射現象を利用した4回反射型の超高精度ミラーです。長さ数十～数百mmのミラー形状が約1 nmの作製誤差で作り込まれています。非常に精密に作製されたミラー表面は、1 オングストローム（Å、1Åは100億分の1メートル）の短い波長を持つX線をほぼ理想的に反射・集光させることができます。
　実際に、このX線ナノプローブスキャナーを使って、SPring-8のBL29XUビームラインにおいて、試料を動かさずにX線プローブをスキャンし、50nm線幅を解像する走査型X線顕微鏡像の取得に成功しました（下図）。また、この手法によって、0.1～2 nmのスキャン精度が十分に実現可能であることを示しました。これは従来の10～20倍の精度です。

今後の期待
　今回、 X線ナノプローブスキャナーが世界で初めて実証された理由の一つに、X線光学技術、すなわち光学素子の精度やその取り扱い技術の向上が挙げられます。例えば、これまではミラーの開発と精度向上が研究の至上命題でしたが、技術の向上とともに、他のX線光学素子を組み合わせた新たな利用法が現実のものとなってきました。このX線ナノプローブスキャナーを火付け役として、今後X線光学技術の新展開が開拓されることが望まれます。
　走査型X線顕微鏡は、次世代放射光施設における光源性能の向上の恩恵を大きく受ける技術の一つと考えられています。今後、X線ナノプローブスキャナーがX線顕微鏡観察やX線分光分析の高度化に寄与することで、医学・生物学や材料科学など幅広い科学分野の発展に貢献するものと期待できます。

補足説明